新聞主題	永磁發電機的電壓參數和運行特性

 

摘要：高速永磁同步發電機與電勵磁同步發電機的主要區別在于高速永磁同步發電機磁路中有永磁體存在，導致磁路結構有所不同。由于永磁材料磁性能很高，而其磁導率又很小，這就使永磁發電機的特點更加突出，從而使永磁同步發電機在性能、參數、特性、電壓調節及電磁設計方法等方面出現了與電勵磁同步發電機不同的特點。下面將分析其中兩個重要的性能指標-固有電壓調整率和輸出電壓波形正弦性畸變率。為此，需要先討論勵磁磁動勢和交、直軸電樞反應電抗的計算。

 

一、永磁發電機的作用

 

      單定子永磁發電機結構如圖1所示，雙定子永磁發電機結構如圖2所示。永磁體在高速永磁同步發電機中主要有以下兩個作用：

1、作為發電機的勵磁源

      用永磁體勵磁，使它對外磁路提供的磁勢F和磁通中M可隨外磁路的磁導和電樞反應磁通在小范圍內變化，并可以由此引起漏磁通的變化，從而影響電樞反應磁勢在小范圍內變化，并可以由此引起漏磁通的變化，從而影響電樞繞組的感應電勢。

2、構成較大磁阻的磁路段

      由于永磁體的磁導率與空氣磁導率接近，在電機磁路中對直軸電樞反應磁勢來說是一個很大的磁阻。因此，電樞反應磁場被削弱，并且除通過永磁體外，還有相當一部分沿漏磁路徑閉合，這就決定了高速永磁同步發電機直軸電樞反應電抗比電勵磁式同步發電機的直軸電樞反應電抗小。在切向磁化結構中，還可以使直軸電樞反應電抗小于交軸電樞反應電抗。

 

圖1 永磁發電機結構圖

圖2 雙定子永磁發電機的鐵芯結構

 

二、電抗參數和矢量圖

 

      永磁同步發電機在空載運行時，空載氣隙基波磁通在電樞繞組中產生勵磁電動勢E₀（V）；在負載運行時，氣隙合成基波磁通在電樞繞組中產生氣隙合成電動勢E_δ（V），計算公式如下：

E₀=4.44fNK_dpΦ_δ0KΦ

E_δ=4.44fNK_dpΦ_δNKΦ

式中，N——電樞繞組每相串聯匝數；

K_dp——繞組因數；

K——氣隙磁通的波形系數；

Φ_δ0——每極空載氣隙磁通（Wb）；

Φ_δN——每極氣隙合成磁通（Wb）。

      電抗參數對同步發電機的性能和特性影響很大。電抗之間有如下關系：

X_d=X_ad＋X_δ

X_q=X_aq＋X_δ

式中，X_ad——直軸電樞反應電抗；

X_aq——交軸電樞反應電抗；

X_d——直軸同步電抗；

X_q——交軸同步電抗；

X_δ——漏抗。

      直軸電樞反應電抗是指直軸磁路中單位直軸電流產生的交變磁鏈在電樞繞組中所感應電勢的大小。其他電抗的物理意義與其類似。從電抗的物理意義出發，根據永磁同步發電機的磁路特點，其電抗參數與電勵磁式同步發電機有兩點重要區別。

（1）由于永磁體的磁導率低，且它又是磁路的一部分，所以永磁同步發電機的電樞反應電抗X_ad、X_aq比電勵磁同步發電機的小。

（2）對電勵磁凸極同步發電機，一般有X_ad＞X_aq，這是因為直軸磁路磁導總是大于交軸磁路磁導。從對永磁同步發電機的分析可知，如對于徑向磁化結構的發電機，直軸磁路和交軸磁路磁導近似相等，故其電抗也近似相等，即X_ad≈X_aq。根據電抗參數可以畫出永磁同步發電機不飽和矢量圖，如圖4所示。它的基本規律與電勵磁同步發電機相同，但由于X接近等于X_ad，所以，I_dX_ad/I_qX_ad（I_d為直軸電流，I_q為交軸電流）將小于電勵磁式同步發電機。

      電勢平衡方程式為

E₀=U＋jI_dX_ad＋j/I_qX_ad＋I(R₁＋jX₁)

式中，E₀——相電動勢；

U——相電壓；

I——相電流；

R₁——電樞繞組直流相電阻；

X₁——漏電抗。

 

圖3  永磁同步交流發電機線框圖

圖4  永磁同步發電機不飽和矢量圖.

 

三、外特性、固有電壓調整率

 

      同步發電機在負載變化時，由于漏阻抗壓降和電樞反應的作用，使端電壓發生變化。對高速永磁同步發電機，漏阻抗壓降的作用與電勵磁同步發電機是相同的，差別較大的是電樞反應的影響。同步發電機通常帶感性負載，其電樞反應是去磁的，端電壓將隨負載增加而下降；漏阻抗壓降隨負載的增加而增加，它的作用也使端電壓下降，因此外特性是下降的如圖5所示。傳統的電勵磁發電機可以通過調節轉子上的勵磁控制輸出電壓，使其穩定。但是永磁同步發電機制成后，氣隙磁場調節困難。因此，為使其能得到大量推廣，需要對永磁同步發電機的固有電壓調整率進行研究，還要深入研究降低固有電壓調整率的措施。

      發電機的固有電壓調整率是指在負載變化而轉速保持不變時出現的電壓變化，其數值完全取決于發電機本身的基本特征，用額定電壓的百分數表示，即

ΔU＝(E₀－U)/U_n×100%

      式中，U——輸出電壓。

      為了降低電壓調整率，必須在給定E₀值基本不變的情況下盡量增大輸出電壓U；而要增大輸出電壓U，則既要設法降低電樞反應引起的去磁磁通量，又要減小電樞繞組電阻R₁和漏抗X₁的壓降。

（1）為了降低電樞反應引起的去磁磁通量，首先要增大永磁體的抗去磁能力，即增大永磁體的抗去磁磁動勢，為此應選用矯頑力H_c大、回復磁導率R_r小的永磁材料；同時，增大永磁體磁化方向長度，使工作點提高，削弱電樞反應的影響。其次，需要減少電樞繞組每相串聯元件數，增加轉子漏磁通以削弱電樞反應對永磁體的去磁作用。為此，應選用剩磁密度B_r大的永磁材料；并且應增加永磁體提供每極磁通的截面積，這時磁通明顯增加，可以有效減小每相串聯元件數。

（2）為了減小定子漏抗X₁，需要選擇寬而淺的定子槽形；減少電樞繞組每相串聯的元件數，但要注意小的電樞繞組每相串聯匝數使短路電流增大；縮短繞組端部長度，適當加大氣隙長度，加大長徑比等。

（3）為了減小電樞電阻，需要減少電樞繞組每相串聯的元件數，增大導體截面積。

      雖然上述各種措施在一定程度上可以減小固有電壓調整率，但將耗用更多的永磁體材料，增大了發電機的體積和重量，且為滿足規定的性能指標，對電機參數的要求也非常高，增加了設計工藝的復雜性。更為重要的是，這些措施都無法改變永磁同步發電機“勵磁不可調導致輸出電壓不可調”這一根本的問題。因此，單靠發電機體設計上的改進，這一問題沒有得到真正的解決。

 

圖3 永磁同步發電機外特性

 

 

四、電動勢波形和正弦性畸變率

 

      工業上對同步發電機電動勢波形的正弦性有嚴格的要求，實際電動勢（通常指空載線電壓）波形與正弦波形之間的偏差程度用電壓波形正弦性畸變率來表示。電壓波形正弦性畸變率是指該電壓波形不包含基波在內的所有各次諧波有效值二次方和的二次方根值與該波形基波有效值的百分比。

      為減小調整永磁同步發電機輸出電壓波形的正弦性畸變率，在設計發電機時，除了要采用分布繞組、短距繞組、正弦繞組和斜槽等措施外，還應改善氣隙磁場波形，它不但和氣隙形狀有關，還與穩磁處理方法有關。在對電壓波形要求嚴格的場合，需對發電機的極靴形狀進行加工，使氣隙磁場分布盡可能地接近正弦。

 

五、損耗與效率

 

      效率高是高速永磁同步發電機的一大優點，這是指在同等條件下與電勵磁同步發電機比較而言的，其原因如下。

（1）無勵磁損耗和電刷集電環摩擦損耗。

（2）轉子表面光滑，使得發電機旋轉時的風阻損耗大為降低。

（3）當發電機負載增大時，永磁同步發電機鐵損耗可以近似認為不變；而電勵磁同步發電機外特性軟，隨負載的增大，必須同時增加其氣隙磁通量，才能保持輸出電壓的不變，故鐵耗也相應增加，效率降低。

 

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